V. El DNA mitocondrial: una eina genètica per aclarir la història de les poblacions humanes.
V.2 L’avantpassat mitocondrial
Un tipus de dada genètica que va donar suport a la teoria de l’origen Africà recent de l’home modern i va fer trontollar l’hipòtesi multiregional és el DNA mitocondrial.
El primer treball sobre la variació del genoma mitocondrial en les poblacions humanes va ser dut a terme per Wesley Brown (1980). Està basat en l’anàlisi de polimorfisme de longitud de fragments de restricció (RFPLs: Restriction Fragment Length Polimorphism), mitjançant 18 enzims de restricció en 21 individus. Brown va estimar que la diversitat del mtDNA present a les poblacions humanes actuals va començar a acumular-se fa 180.000 anys, ja que les variants detectades diferien de la seqüència ancestral en 0.18 per cent de les posicions i que la taxa de substitució nucleotídica era de 1 per cent per milió d’anys.
La filogènia de la variació global del mtDNA va ser establerta a partir d’estudis posteriors, també basats en RFLPs de baixa resolució (5 ó 6 enzims de restricció) i una mida mostral gran. L’arbre obtingut presentava una forma en estrella
(“starlike”): d’un únic haplotip central comú a tots els individus d’on sorgeixen els altres haplotips, dels quals alguns són específics d’una població. L’haplogroup central o universal correspon a l’avantpassat comú més recent de tots els mtDNA del món. Això suggereix que totes les poblacions humanes comparteixen una història evolutiva
Introducció
comuna des de fa molt de temps, i podria donar suport a l’idea que l’home va aparèixer en diferents parts del món a partir d’avantpassats arcaics (Excoffier & Langaney 1989; Templeton 1992).
El mtDNA va conèixer el gran èxit amb un treball publicat al 1987 per l’equip d’Allan Wilson, que va tenir un gran impacte en el món científic amb repercussions a nivell popular arrel del debat sobre l’origen de l’home modern i de l’Eva mitocondrial africana. Rebecca Cann, Mark Stoneking i Allan Wilson van analitzar 147 individus de cinc poblacions (africans, asiàtics, australians, caucasoides, nou guineans) mitjançant RFLPs d’alta resolució (12 enzims de restricció), per tal d’obtenir una filogènia del mtDNA més precisa. Els resultats obtinguts van ser representats en un arbre de màxima parsimònia (figura 7).
Figura 7: Arbre genealògic de 134 tipus de DNA humà; (Cann i col·laboradors 1987).
L’arbre del mtDNA proposat per Cann i els seus col·laboradors consisteix en dues branques: la més profunda presenta exclusivament mtDNA africans i l’altra mtDNA de les cinc poblacions. Els autors van concloure que tota la diversitat del mtDNA prové
El mtDNA: una eina genètica per aclarir la historia de les poblacions humanes
d’una sola dona que va viure a l’Àfrica fa uns ~200.000 anys, amb un marge d’error tan elevat que la data estava compresa entre 140.000 i 290.000 anys. Aquest resultat va ser interpretat com l’evidència de l’origen recent africà (Out of Africa) de l’home modern. Cann i col·laboradors van designar el nostre avantpassat mitocondrial africà com l’“Eva mitocondrial”. Va ser un nom molt sensacionalista per la premsa escrita i televisiva que va fer una àmplia difusió d’aquesta metàfora. Però el nom d’Eva va crear molta confusió i va ser mal interpretat, ja que evocava la falsa imatge de l’Homo sapiens
provenint d’una mare única, la mare de tots nosaltres, i que no n’hi havia hagut cap altra abans.
La hipòtesi proposada per Cann i col·laboradors (1987) i defensada posteriorment per altres autors (Vigilant i col·laboradors. 1991; Chen i col·laboradors. 1995) es basa en el principi de coalescència (figura 8). La coalescència assumeix l’existència d’un origen comú a tots els organismes. A partir d’aquesta base, es dedueix que tota la variació d’un segment de DNA (mitocondrial o nuclear) en les generacions actuals prové d’un avantpassat únic. El cas del mtDNA, la reconstrucció dels llinatges en els temps és més fàcil ja que té una herència estrictament materna. Les dades de l’article publicat per Cann i els seus col·laboradors indiquen que:
a) L’avantpassat mitocondrial no era l’únic individu viu, sinó que formava part d’una població on la resta dels llinatges mitocondrials es van perdre amb el temps.
b) Aquest avantpassat no correspon a la primera dona apareguda de la nostra espècie, però si al punt de partida de tots el llinatges mitocondrials actuals.
Introducció
Generacions
Present
Figura 8:Il·lustració del principi de coalescència. Per tots els membres d’una població es pot trobar l’avantpassat matern. L’exemple mostra els llinatges mitocondrials de 7 dones d’una població estable. A cada generació, alguns llinatges proliferen i altres s’extingeixen. Per atzar, un dels llinatges materns substitueix tot els altres.
Aquest treball va ser l’objecte de nombroses crítiques: Primer, es va estimar que el nombre de llocs testats per l’anàlisi de RFLPs no era suficient per a aportar una informació genealògica robusta. Segon, el mètode utilitzat per designar l’arrel de l’arbre, agafant el punt mig del la branca més llarga, no era fiable. El tercer punt, és que van utilitzar individus afro-americans en representació de natius africans. A més, l’arbre presentat en aquest estudi no era el més parsimoniós, i entre els més parsimoniosos alguns no exhibien una clara separació entre les poblacions africanes i la resta dels individus (Templeton 1992). Finalment, l’error estàndard de l’estima de la divergència entre els africans i no africans era tan gran que el temps de divergència podria ser de fins a 800.000 anys. L’estudi de Vigilant i col·laboradors (1991) basat en les seqüències de 189 individus de tot el món dels quals 121 eren natius africans va confirmar l’origen africà del mtDNA (figura 9). A més, la utilització de seqüències de la regió de control de ximpanzé (Kocher i Wilson 1991; Foran i col·laboradors. 1988) per calibrar la taxa d’evolució del mtDNA va donar suport al treball de Cann i col·laboradors (1987).
El mtDNA: una eina genètica per aclarir la historia de les poblacions humanes
Figura 9: Arbre genealògic de 182 tipus de mtDNA humà que dóna suport a l’origen africà de l’avantpassat mitocondrial dels humans moderns (figura basada en el treball de
Vigilant i col·laboradors 1991 i modificada a partir de l’article
The recent African genesis of Human; Scientific American 1992)
Estudis posteriors (taula 1) es van basar en la seqüènciació de la regió de control, o d’alguns gens del mtDNA per tal de reduir l’error en l’estima del temps de divergència entre els africans i no africans.
Introducció
Autors
Segment del mtDNA Percentatge de
divergència d
TMRA (anys)
Cann et al., 1987 Molècula sencera 0.57 15.0 190.000
Kocher and Wilson 1991
ND4-5
0.33 9.6 172.000
Vigilant et al., 1991 Regió de Control 2.90 69.2 210.000
Ruvolo et al., 1993 COII 0.58 10.4 278.000
Chen et al., 1995 Molècula sencera 0.29 13.0 112.000
Horai et al., 1995 Molècula sencera 1.10 39.0 143.000
Horai et al., 1995 Regió de control 2.10 70.0 143.000
Watson et al., 1997 Regió de control 1.10 495.0 111.000
Chen et al., 2000 Molècula sencera 0.36 13.0 138.000
Ingman et al., 2000 Molècula sencera 0.58 17.0 171.500
Taula 1: Percentatge de divergència de seqüència entre dues seqüències humanes de mtDNA, diversitat de seqüència (d) estimada a partir dels mtDNA d’humà i ximpanzé , i temps de l’avantpassat comú mes recent (TMRA) han estat obtinguts a partir de les dades dels diferents autors. Per l’homogeneïtat de les dades, s’assumeix un temps de divergència entre els llinatges d’humans i ximpanzés de 5 milions d’anys. (Taula extreta de Klein i Takahata 2001)
A més, l’anàlisi de seqüències del mtDNA de tres espècimens fòssils de Neandertal (Krings i col·laboradors. 1997, 1999, 2000; Ovchinnikov i col·laboradors. 2000) dóna suport al model del “Out of Africa”, ja que les dades indiquen una clara diferenciació entre el mtDNA neandertal i d’humà modern i el temps de divergència entre els dos tipus de llinatges s’estima entre ~ 300 i 850 milers d’anys.
El mtDNA: una eina genètica per aclarir la historia de les poblacions humanes